粗晶层对A7N01S-T5铝合金应力腐蚀性能的影响

朱瑞栋，刘 建，汪 任，何亚玲

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学生命科学与工程学院，四川成都610031）

粗晶层对A7N01S-T5铝合金应力腐蚀性能的影响

朱瑞栋1，刘 建1，汪 任1，何亚玲2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学生命科学与工程学院，四川成都610031）

通过四点弯梁应力腐蚀试验，研究不同截取位置的A7N01S-T5铝合金母材和焊接接头在3.5％NaCl溶液中的耐应力腐蚀性能。运用光学显微镜、扫描电镜及激光共聚焦显微镜检测四种试样的显微组织和腐蚀形貌。结果表明，四种试样的腐蚀形式均由表面点蚀向内部沿材料的挤压方向扩展，最后呈现剥层腐蚀的特征。具有粗晶层试样的耐应力腐蚀性能明显优于去除粗晶层后的试样，焊接接头热影响区的耐应力腐蚀性能最差。

A7N01S-T5铝合金；四点弯梁应力腐蚀；焊接接头；粗晶层

0 前言

A7N01属7000系铝合金中的Al-Zn-Mg系铝合金，具有较高的强度且挤压性能好、焊接性能好，是最理想的焊接结构材料[1-2]，但在应力与腐蚀环境的共同作用下易发生应力腐蚀开裂（SCC），进而导致各方面失效。而焊接接头由于结构的不均质性，其耐蚀性无法与母材相比，尤其是对SCC。焊接接头各微区的组织及成分具有较大的差异性，从而导致其电化学腐蚀更易发生，增加了接头的SCC敏感性[3-4]。

A7N01铝合金在热处理过程中，表面容易形成一层粗晶层，粗晶层晶粒粗大，会对金属的力学性能产生不利影响。宁永照等人在研究LY12CZ铝合金粗细晶粒的性能时发现，无论是横向、纵向还是高向，细晶区的强度、弯曲及拉伸疲劳性能都高于粗晶区，但粗晶区的耐应力腐蚀性能比细晶区的高2～3倍[5]，且粗晶区的抗电化学腐蚀能力较细晶区

的更强，说明粗晶层是一种有效的腐蚀阻挡层[6]。本研究通过在A7N01S-T5铝合金的粗晶区及细晶区分别取样，进行四点弯梁应力腐蚀试验，考察表面粗晶层对母材和焊接接头耐应力腐蚀性能的影响，为后续的研究工作提供基础的数据和参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验母材为板厚13 mm的A7N01S-T5型材，采用直径1.2 mm的ER5356焊丝，保护气体为99.99％的氩气，A7N01S-T5型材及焊丝化学成分见表1，焊接参数如表2所示。分别在A7N01S-T5母材上表面和距其上表面5 mm处平行取样（垂直于挤压方向），命名为1#、2#；在A7N01S-T5焊接接头上表面和距其上表面5 mm处平行取样，命名为3#、4#；试样尺寸均为130 mm×15 mm×2 mm，待测试样如图1所示。

表1 A7N01S-T5型材及焊丝化学成分Tab.1Chemical compositions of A7N01S-T5 profiles and welding wire％

表2 焊接工艺参数Tab.2Welding process parameters

图1 待测试样Fig.1Specimen of stress corrosion

1.2 母材显微组织

沿7N01S-T5母材板长度方向取尺寸30 mm× 13 mm×13 mm的试样，预磨、抛光后使用混合酸（HF：HCl：HNO3：H2O=2：3：5：90）浸蚀，观察浸蚀后试样的金相显微组织，检查其表面是否存在粗晶层，以此对该材料的性能进行定性分析。

1.3 试验方法

四点弯梁应力腐蚀试验根据GB/T15970.2-2000《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第2部分：弯梁试样的制备和应用》进行，腐蚀液选用3.5％的NaCl溶液，试验温度25℃±1℃，湿度45％～70％，每隔1天补充腐蚀液（2％），每周更换一次腐蚀液。试验周期为：在空气中暴露50 min，在盐水中浸渍10 min，往复循环。分别在腐蚀的第3d、7d、14d、21 d和28 d取出试样，用CrO3-H3PO4清洗腐蚀产物后称取质量，计算试样失重情况，通过光学显微镜、扫描电镜及激光共聚焦显微镜观察表面腐蚀形貌。

1.4 应力加载

试验采用四点弯梁方式加载应力，借助夹具将试样弯曲至一定挠度后固定位移，如图2所示。

图2 四点弯梁示意Fig.2Schematic diagram of four-point bending

母材和焊接接头试样分别加载两种不同大小的应力，3个平行样。应力加载结果如表3所示。

加载挠度为

式中σ0=245 MPa（A7N01屈服强度）；弹性模量E=69×109Pa；t为试样厚度（单位：m）；H=0.112 m；A=0.026 6 m；y为挠度（单位：mm）

2 试验结果及分析

2.1 母材显微组织观察

图3a为母材深度方向的宏观组织形貌，该母材上下表面存在明显的粗晶层，晶粒肉眼即可见，十分粗大，晶界数量远远少于中间层细晶区。通过测量，上表面粗晶层厚度高达3 mm，其中粗大的

晶粒直径达2.304 mm（见图3c）。母材中间层形貌则为因挤压变形后呈纤维状的细小晶粒（见图3d），沿挤压方向排列成行。

表3 试样应力加载Tab.3Stress loading level of sample

图3 母材金相显微组织Fig.3Metallographic microstructure of base metal

2.2 四点弯梁应力腐蚀

2.2.1 母材的腐蚀形貌

由图4可知，1#试样在腐蚀3 d后，试样表面光泽度较暗，有少量腐蚀的痕迹。腐蚀7 d后，由于在两端部夹具头部较尖，则存在应力集中使得尖端附近有腐蚀点生成，挠度最大处附近较灰暗。腐蚀14 d后，表面明显变得灰暗，整体分散的存在着各种腐蚀坑，在尖端处腐蚀产物更是明显，有大片的腐蚀产物存在。腐蚀21 d后，试样1-1～1-3发生断裂，且表面粗大的腐蚀坑成片状分布，开裂处腐蚀坑更是粗大，甚至连片脱落，对其断口进行扫描电镜分析，形貌如图5所示。

1#试样位于粗晶层区，组织晶粒粗大，晶界明显，腐蚀处呈现窟窿状，有块状掉渣的迹象，断口中未看到冰糖块状花样或泥状花样，腐蚀断裂主要为粗大晶粒腐蚀脱落所致。

2#试样随着腐蚀时间的延长，试样表面的光亮度逐渐下降，与夹具接触处的腐蚀黑点也逐渐增多。腐蚀28 d后，试样表面变得灰暗，点状腐蚀坑已成片存在，有开裂的倾向。

2.2.2 焊接接头的腐蚀形貌

图6为3#、4#试样在3.5％NaCl溶液中浸泡

28 d腐蚀后的激光共聚焦显微形貌，腐蚀面积率及腐蚀深度如表4所示。

图4 母材腐蚀形貌Fig.4Corrosion morphology of base metal

由表4可知，有粗晶层的3#试样的腐蚀面积率、蚀坑最大深度及平均深度均小于去除粗晶层的4#试样，表明其耐应力腐蚀性能优于4#试样，腐蚀规律与母材试样一致，且两种试样的腐蚀程度均是热影响区＞母材区＞焊缝区。由于Zn、Mg元素是A7N01铝合金中的主要强化相，经长期时效后，晶界上会析出平衡相MgZn2（η相）或Al2Mg3Zn3（T相），在腐蚀介质中，这些富锌相的电位相比于周围基体的更负，导致其成为阳极而发生腐蚀溶解，所以焊接接头的母材区具有一定的SCC敏感性。而热影响区由于焊接热输入导致组织的不均匀化，使热影响区成为整个焊接接头中最易受到腐蚀的部分，富镁含量的ER5356焊丝使焊缝处析出电位较高的Mg5Al8相，在腐蚀介质中构成阴极区，而电位较低的热影响区作为阳极而优先溶解腐蚀，耐蚀性较差。

2.2 .3腐蚀失重

图5 1#试样断口扫描电镜形貌Fig.5Fracture SEM morphology of sample 1#

图6 焊接接头试样腐蚀28 d后的LCSM微观形貌Fig.6LCSM morphologies of welding joints after 28 d immersion time

表4 28 d腐蚀后LCSM表面腐蚀数据Tab.4Data of corrosion surface LCSM for 28 d

不同材料、不同部位试样的腐蚀失重曲线如图7所示。由图7可知，各试样的失重均随时间的延长而增大，但在腐蚀后期，试样的失重速率会逐渐呈下降趋势，这是由于腐蚀产物在试样表面堆积从而阻止了腐蚀液的浸入所致。失重曲线对数拟合相关性较好，相关系数R2均大于0.97。焊接接头试样（3#、4#）在腐蚀短期14 d内失重增长快，其腐蚀失重较母材试样（1#、2#）的更为明显，具有粗晶层的1#、3#试样较去除粗晶层的2#、4#失重小，表明粗晶层能够明显降低材料的应力腐蚀敏感性，增强耐蚀性，具有一定的保护作用。7000系铝合金应力腐蚀

一般是在拉应力和腐蚀环境的共同作用下沿晶界扩展，因此晶界起着非常重要的作用[7]。对于细晶组织而言，晶粒细小，存在亚晶界，晶界数量较多，腐蚀介质易于从众多晶界穿透，裂纹易连续扩展，从而加速了应力腐蚀倾向。而粗晶组织晶粒粗大，大角晶界较少，裂纹扩展通道也相应减少，裂纹发生停滞或沿晶间迥转，所以扩展较慢[5，8]，且粗晶组织的屈服强度较低，位错运动阻力较小，裂纹尖端扩展易发生滑移，使应力腐蚀强度因子增大[9]。同时粗晶组织能减轻基体中晶界附近H原子聚集，从而降低了SCC敏感性[10]。因此，材料表面的粗晶层能有效阻挡应力腐蚀，一旦该层被腐蚀介质渗入，粗晶层发生破裂，就无法阻止裂纹的扩展，当其超过材料的断裂强度极限时，试样就会断裂失效，所以取自母材上表面的1#试样在腐蚀21 d后发生断裂[6]。

图7 不同材料不同部位试样的腐蚀失重曲线Fig.7Mass loss curves of samples of different materials in different parts

3 结论

（1）四种试样的腐蚀均由表面点蚀沿挤压方向向内部扩展，最后呈现剥层腐蚀的特征。

（2）去除粗晶层的2#试样晶粒细小，呈现纤维状，在腐蚀28 d后未出现断裂；具有粗晶层的1#试样晶粒粗大，大角晶界较少，能有效降低合金试样的应力腐蚀敏感性，在腐蚀21 d后试样断裂。

（3）A7N01S-T5焊接接头试样在腐蚀28 d后，各微区均未出现应力腐蚀开裂，SCC敏感性为：热影响区＞母材区＞焊缝区，去除粗晶层＞具有粗晶层。

[1]刘晓涛，崔建忠.Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究进展[J].材料导报，2005，19（3）：47.

[2]潘复生，张丁非.铝合金及应用[M].北京：化学工业出版社，2006：59.

[3]陈小明，宋仁国.7000系铝合金应力腐蚀开裂的研究进展[J].腐蚀科学与防护技术，2010，22（1）：120-123.

[4]Liu X F，Huang S J，Gu H C.The effect of corrosion inhibiting pigments on environmentally assisted cracking of high strength aluminum alloy[J].Corrosion Science，2003，45（2）：1921-1938.

[5]宁永照，孙成清.LY12CZ铝合金粗细晶粒的性能研究[J].机械工程材料，1992，16（4）：39-43.

[6]孙忠志，王瑞阳，于美，等.晶粒度对LY12铝合金应力腐蚀断裂行为的影响[J].中国材料进展，2013，32（3）：179-184.

[7]宋仁国，曾梅光，张宝金.7050铝合金晶界偏析与应力腐蚀、腐蚀疲劳行为的研究[J].中国腐蚀与防护学报，1996，16（1）：1-8.

[8]周文标，昇

谢尚，覃珊，等.再结晶组织对7N01铝合金型材应力腐蚀敏感性的影响[J].热加工工艺，2015，44（4）：223-229.

[9]陈再良.粗晶组织对变形铝合金应力腐蚀断裂的影响[J].轻合金及其加工，1984，14（1）：53-55.

[10]Oliveira A F，Barros M C de，Cardoso K R，et al.The effect of RRA on the strength and SCC resistance on AA7050 and AA7150 aluminiumalloys[J].Mater.Sci.Eng.，2004，（A379）：321-326.

Effect of coarse-grained layer on stress corrosion cracking sensitivity of A7N01S-T5 aluminum alloy

ZHU Ruidong1，LIU Jian1，WANG Ren1，HE Yaling2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The SCC properties of the different locations of A7N01S-T5 aluminum alloy base metal and welded joints were investigated by four-point bending stress corrosion test in 3.5％NaCl solution，the microstructure and corrosion morphology were examined by optical microscopy（OM），scan electron microscopy（SEM），and laser confocal scanning microscope（LCSM）.The results showed that the corrosion forms of four samples were from the pitting on the surface expanding to the interior of sample along the extrusion direction，finally presented the characteristics of exfoliation corrosion，the sample with coarse-grained layer had a better SCC resistance，and HAZ was the most sensitive corrosion zone in welded joint of A7N01S-T5.

A7N01S-T5 aluminum alloy；four-point bending stress corrosion；welded joints；coarse-grained layer

TG457.14

A

1001-2303（2016）08-0096-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.23

2016-03-31

朱瑞栋（1988—），男，四川遂宁人，硕士，主要从事焊接应力与变形研究工作。